前言
購買T12烙鐵的相關配件已經1年多了，期間也嘗試了一些開源的T12控制器，但都沒有成功，要么是配套資料少，要么是英文的，其中51和arduino的居多，STM32的較少。求人不如求己，索性自己開發一個吧！現把制作過程和工作原理記錄一下。
項目開源地址：https://github.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller
Gitee：https://gitee.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller
PCB：https://oshwhub.com/caisheng/T12han-tai-kong-zhi-qi
QQ群：1091996634，密碼：J20
Bibilibi：蔡子CaiZi
1. 元件清單
（1）T12烙鐵頭（焊貼片用刀頭，焊插件用尖頭）
（2）烙鐵手柄（筆者買的907手柄）、硅膠線（5線）、烙鐵支架（帶NTC電阻10k、震動開關）、航插（5線）
（3）24V4A開關電源，給烙鐵供電
https://item.taobao.com/item.htm?id=560319416660
（4）DC-DC降壓模塊，24V轉5V，給控制板供電
https://item.taobao.com/item.htm?id=536347025767
（5）旋轉編碼器
https://item.taobao.com/item.htm?id=532637569029
（7）STM32F103C8T6最小系統板
（8）IRF9540 MOS管P溝道，驅動電烙鐵的
https://item.taobao.com/item.htm?id=522575402372
（9）SS8050三極管
（10）肖特基二極管（用來續流）
（11）運算放大器AD823
（12）3.3v穩壓管
https://item.taobao.com/item.htm?id=580234927158
（13）18v穩壓管
https://item.taobao.com/item.htm?id=580243199645
（14）電解電容100uF（用來穩壓）
（15）獨石電容0.1uF（用來濾波），又稱104電容
（16）有源蜂鳴器5V的（接電即響）
（17）470Ω、1k、51k、10k、100k電阻若干
（18）500k可調電阻
https://item.taobao.com/item.htm?id=522572774132
（19）ST-LINK V2下載器
調試STM32性價比極高，可燒寫程序，可斷點調試
現在你的購物車已經滿了，清空叭，等待元件的期間可以看看原理圖，練習一下焊接技巧。
2. 焊接及原理圖
滑動變阻器RP2和R34的電阻和調整至400KΩ即可。
AD823也可以用這些來代替：LM6118, LM6218, LT1122, LT1201, LT1213, LT1215, OPA2132, OPA2134, OPA2227, OPA2604, TLE2072, TLE2142, TLE2227, MCP602
穩壓二極管和肖特基二極管的封裝如下，有黑線的那一側和示意圖的豎線對應。
ss8050的引腳對應關系如下，原理圖中標注了bce
IRF9540N的引腳對應關系關系如下，原理圖中標注了GDS。
AMS1117-3.3降壓芯片的封裝
開關電源和烙鐵外殼一定要接地！！！注意用電安全！！！
溫馨提醒：第一次通電可能不成功，時刻准備斷電！！！
發現烙鐵有燒紅的趨勢，就把220V電斷開，這說明MOS管一直是導通的，仔細檢查MOS管電路部分。
PCB V1.1
PCB V1.2
3. 燒寫固件
固件下載地址：https://github.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller/releases/tag/v1.2
如果你的電腦安裝了keil軟件，那么編譯工程再進行燒錄即可，這里不再贅述，可參考筆者的這篇博客：
https://blog.csdn.net/weixin_42268054/article/details/106878860
如果你的電腦沒有keil軟件，又不打算開發調試源代碼，那么這里推薦使用STM32 ST-LINK Utility軟件。軟件介紹、下載、安裝、使用請參考strongerHuang的這篇博客：
https://blog.csdn.net/ybhuangfugui/article/details/52597133
先將ST-LINK下載器連接STM32開發板，接線如下：
GND 電源地
3V3 接3.3v
SWCLK 接DCLK
SWDIO 接DIO
打開軟件，點擊該按鈕進行連接；
點擊Target》Program...；
點擊Browse，打開焊台的hex文件，點擊Start進行燒寫；
看到提示信息即說明燒寫完成。
4. 使用說明
已完成的功能包含設置溫度、自動休眠、自動關機、蜂鳴器開關、恢復默認設置；
在home頁面時，短按旋轉編碼器設置加熱開關，長按進入菜單，旋轉設置加熱溫度；
在菜單頁面時，短按進入選擇，再短按退出，旋轉設置參數，長按退出菜單。
睡眠溫度為100℃，最小設置溫度為150℃，最大設置溫度為400℃，建議焊接溫度：300-380°C；
標准模式下，烙鐵控制的溫度為顯示的溫度；強力模式下，烙鐵控制的溫度比顯示的溫度高50℃；
PWM更新頻率為390Hz，細分數為255；
使用分段式PID：溫差>100℃時，全速加熱；溫差30~100℃時，激進的PID；溫差<30℃時，保守的PID；
讀者可自行使用萬用表的溫度計校准分度表：使用USB-TTL串口下載器和串口調試助手(115200bps)讀取100℃、200℃、300℃、420℃時的ADC值；
串口下載器和藍色板之間的連接：
GND 電源地
3V3 接3.3v
RXD 接PA9
TXD 接PA10
然后更改main.h文件中的TEMP100、TEMP200、TEMP300、TEMP420即可。
5. 工作原理
這一部分是為了讓讀者能夠理解控制原理，不想深究的話可以忽略哈~
5.1 T12烙鐵頭
下面大概說明下熱電偶，說說這個烙鐵頭是怎么測溫的。
熱電偶是一種感溫元件。它直接測量溫度，並把溫度信號轉換成熱電動勢信號, 通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(Seebeck effect)。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端。
通過分析就可以知道，發熱絲本身即是發熱體，也是熱偶的工作端。
參考：https://www.geek-workshop.com/forum.php?mod=viewthread&tid=72
5.2 熱電偶與熱電勢的計算
魯迅說過：欲控之，必測之。（魯迅：我沒說過這話，不過聽着在理！）
我們先來測量烙鐵的溫度，再用PID進行閉環控制它的溫度，實現恆溫。
實驗得到20℃時的熱電勢約為0.11mV，80℃時的熱電勢約為0.60mV，根據各個類型的分度表，可以確定烙鐵頭的熱電偶似乎屬於S型。
https://tech.hqew.com/fangan_1628934
常用熱電偶的擬合多項式系數，對應溫度計算公式為：T=A0*U^0+A1*U^1+...+Ai*U^i；其中U為測得的電動勢（V），T為熱電偶兩端的溫度（℃）。
但是經過自己使用萬用表的溫度計測得熱電壓，得到溫度-電壓的關系如下圖，發現烙鐵的熱電偶和S型不符！還好兩者在小區間內基本是線性關系，那就只能使用自己測量的電壓值了。
1 from pylab import * 2 x=[10*i for i in range(0,38)] 3 y=[0,55,113,150,189,384,576,731,908,1102, 4 1239,1482,1668,1863,2100,2206,2508,2731,3046,3163, 5 3408,3658,3954,4146,4389,4688,4937,5213,5495,5653, 6 5714,5913,6009,6180,6690,6956,7325,7565] 7 mpl.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 添加這條可以讓圖形顯示中文 8 plt.plot(x, y, 'r-', color='#4169E1', alpha=0.8, linewidth=1) 9 plt.xlabel('溫度[℃]') 10 plt.ylabel('電壓[uV]') 11 plt.title('溫度-電壓曲線') 12 plt.show()
5.3 運算放大器電路
由於熱電偶的熱電壓只有幾mV，無法直接使用單片機的ADC采樣，需要放大其電壓值，所以使用運算放大器。
非反相閉環放大器如下圖（我們用的就是這樣的連接）。假設這個閉環放大器使用理想的運算放大器，則因為其開環增益為無限大，所以運算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零，其輸出與輸入電壓的關系式如下：
Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin
參考：http://www.elecfans.com/baike/bandaoti/bandaotiqijian/20100309184249.html
5.4 增量式PID算法
PID的定義：
P：Proportion（比例），就是輸入偏差乘以一個常數。
I：Integral（積分），就是對輸入偏差進行積分運算。
D：Derivative（微分），對輸入偏差進行微分運算。
其中，輸入偏差=讀出的被控制對象的值-設定值。
P用於控制調節力度，P越大，調節作用越激進，P調小會讓調節作用更保守；
D的作用就是讓物理量的速度趨於0，只要這個量具有了速度，D就向相反的方向用力，盡力剎住這個變化。D參數越大，向速度相反方向剎車的力道就越強。
I 的作用就是，減小靜態情況下的誤差，讓受控物理量盡可能接近目標值。I 在使用時還有個問題：需要設定積分限制。防止在剛開始加熱時，就把積分量設得太大，難以控制。
5.4.1 常用的PID模型
PID控制並不一定要三者都出現，也可以只是PI、PD控制，關鍵決定於控制的對象。比如我們要控制一個人，讓他以PID的控制方式來行走110步后停下來。
（1）P控制
比例控制就是讓他按照一定的比例走，然后停下。比如比例系數為108，則走一次就走了108步，然后就不走了。P比例控制是一種最簡單的控制方式，控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。但是僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。比如上面的只能走到108，無論怎樣都走不到110。
（2）PI控制
比例-積分控制就是按照一定的步伐走到112步然后回頭接着走，走到108步位置時，然后又回頭向110步位置走。在110位置處來回晃盪幾次，最后停在110步的位置。說明：在積分I控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統來說，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的影響取決於時間的積分，隨着時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨着時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大，從而使穩態誤差進一步減小，直到等於0。因此，比例+積分（PI）控制器可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。
（3）PD控制
比例-微分控制就是按照一定的步伐走到一百零幾步后，再慢慢地走向110步的位置靠近，如果最后能精確停在110步的位置，就是無靜差控制；如果停在110步附近（如109步或111步位置），就是有靜差控制。在微分控制D中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。
自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振盪甚至失穩，原因是存在較大慣性組件（環節）或滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后於誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差作用的變化“超前”，即在誤差接近於零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例P”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢。這樣，具有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等於零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例P+微分D（PD）控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。
5.4.2 PID算法結構
來點公式吧~
PID算法的數學模型為：
其中，Kp為比例參數，Ek為本次的偏差值，Sk為積分成分，Dk為微分成分。
積分成分
其中T為采樣周期（s）， Ti為積分時間（s）。
微分成分
其中Td為微分時間（s）。
在實際應用中，PID算法具體分兩種：一種是位置式PID算法，一種是增量式PID算法。
a）位置式PID算法表達式：
Out即為本次運算的結果，利用Out可以去驅動執行機構輸出對應的控制信號，例如溫度控制就可以控制PWM的寬度，電磁閥就可以改變電磁線圈電流以改變閥門開度，或者是可控硅的導通角度等；這種PID算法計算出的結果（Out值）表示當前控制器應該輸出的控制量，所以稱為位置式（直接輸出了執行機構應該達到的狀態值）。
b）增量式PID算法表達式：
式中， E(k)為本次偏差值，E(k-1)為上次偏差值，E(k-2)為上上次偏差值。增量式PID的計算只需要最近3次的偏差（本次偏差，上次偏差，上上次偏差），不需要處理器存儲大量的歷史偏差值，計算量也相對較少，容易實現。
根據本系統控制對象為加熱電阻兩端電壓，以及增量型較位置型算法有累加誤差小、誤動作影響小、計算量小和編程方便的特點，本系統選用PID增量型控制算法。
參考鏈接
https://blog.csdn.net/weixin_42068537/article/details/83684234
https://blog.csdn.net/weixin_44690490/article/details/113087363
5.4.3 PID參數的整定
參考鏈接
https://blog.csdn.net/weixin_42068537/article/details/83684234
https://blog.csdn.net/cp32212116/article/details/42033131
《PID整定理論與實踐--馮少輝》
PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易於掌握，在工程實際中被廣泛采用。
PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。
現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作﹔(2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振盪，記下這時的比例放大系數和臨界振盪周期﹔(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。
根據經驗，閉環響應曲線不平滑絕大部分都是微分時間太大導致的。因此推薦：Td<=Ti/4
為了減少需要整定的參數，首先可以采用PI控制器。為了保證系統的安全，在調試開始時應設置比較保守的參數，例如比例系數Kp不要太大，積分時間Ti不要太小，以避免出現系統不穩定或超調量過大的異常情況。給出一個階躍給定信號，根據被控量的輸出波形可以獲得系統性能的信息，例如超調量和調節時間。應根據PID參數與系統性能的關系，反復調節PID的參數。
如果階躍響應的超調量太大，經過多次振盪才能穩定或者根本不穩定，應減小比例系數、增大積分時間；如果階躍響應沒有超調量，但是被控量上升過於緩慢，過渡過程時間太長，應按相反的方向調整參數。
如果消除誤差的速度較慢，可以適當減小積分時間，增強積分作用。
反復調節比例系數Kp和積分時間Ti，如果超調量仍然較大，可以加入微分控制，微分時間從0逐漸增大，反復調節控制器的比例、積分和微分部分的參數。
在PID公式中，常數系數Kp，Ti，Td等須不斷調節，找到適合自己的控制對象的參數。這里有一個經典的經驗試湊口訣：
參數整定找最佳， 從小到大順序查。
先是比例后積分， 最后再把微分加。
曲線振盪很頻繁， 比例度盤要放大。
曲線漂浮繞大彎， 比例度盤往小扳。
曲線偏離回復慢， 積分時間往下降。
曲線波動周期長， 積分時間再加長。
曲線振盪頻率快， 先把微分降下來。
動差大來波動慢， 微分時間應加長。
理想曲線兩個波， 前高后低四比一。
一看二調多分析， 調節質量不會低。
結束語
DIY有風險，操作需謹慎！安全第一，涉及到220V電壓，一定要接地！！！